劉桂濤

(湖北工程學(xué)院 計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)學(xué)院，湖北 孝感 432000)

工廠低壓供配電設(shè)計(jì)中接地系統(tǒng)及接地故障保護(hù)分析

劉桂濤

(湖北工程學(xué)院 計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)學(xué)院，湖北 孝感 432000)

摘要：接地系統(tǒng)作為工廠低壓配電系統(tǒng)中不可缺少的基礎(chǔ)設(shè)施，其質(zhì)量的好壞直接影響用電系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性和可靠性。文章介紹了電源和用電設(shè)備的接地型式，分析了工廠低壓供配電設(shè)計(jì)中各種接地系統(tǒng)和接地故障保護(hù)，為設(shè)計(jì)者根據(jù)工廠低壓供配電實(shí)際情況設(shè)計(jì)合理有效的接地系統(tǒng)提供參考。

關(guān)鍵詞：接地型式；接地系統(tǒng)；接地故障

中圖分類號(hào)：TM862

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：碼：A

文章編號(hào)：號(hào)：2095-4824(2015)06-0117-04

收稿日期：2015-09-19

基金項(xiàng)目：湖北省高校青年教師深入企業(yè)行動(dòng)計(jì)劃項(xiàng)目(XD2014258)

作者簡(jiǎn)介：劉桂濤(1972-)，男，湖北云夢(mèng)人，湖北工程學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)學(xué)院副教授，碩士。

接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)是工廠低壓供配電設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，電源(如變壓器)的接地型式有工作接地和非工作接地之分，用電設(shè)備的接地型式有保護(hù)接地和保護(hù)接零之分。相應(yīng)地，由電源、供電線路、用電設(shè)備共同組成的供配電系統(tǒng)的接地系統(tǒng)則有多種。工廠低壓供配線路發(fā)生接地故障時(shí)，其危害很大，因此應(yīng)對(duì)接地故障進(jìn)行保護(hù)[1]。

1電源、用電設(shè)備的接地型式

1.1工作接地

電源(如變壓器)二次側(cè)繞組采用Y形連接時(shí)，其中性點(diǎn)經(jīng)導(dǎo)線與接地體相連接，這種接地型式稱為工作接地，如圖1所示。工作接地是電源的兩種接地型式之一。

圖1　工作接地

1.2非工作接地

電源(如變壓器)沒(méi)有中性點(diǎn)或二次側(cè)繞組有中性點(diǎn)，但經(jīng)高阻抗與接地體相連接，這種接地型式稱為非工作接地[2]，如圖2所示。非工作接地是電源兩種接地型式之一。

圖2　非工作接地

1.3保護(hù)接地

在供配電系統(tǒng)中，用電設(shè)備的金屬外殼部分經(jīng)導(dǎo)線與接地體相連接，這種接地型式稱為保護(hù)接地，如圖3所示。保護(hù)接地是用電設(shè)備兩種接地型式之一。

1.4保護(hù)接零

在供配電系統(tǒng)中，用電設(shè)備的金屬外殼部分經(jīng)導(dǎo)線與供電線路中的零線相連接，這種接地型式稱為保護(hù)接零[2]，如圖4所示。保護(hù)接零是用電設(shè)備兩種接地型式之一。

圖3　保護(hù)接地

圖4　保護(hù)接零

2工廠低壓供配電設(shè)計(jì)中的接地系統(tǒng)

目前有四種接地系統(tǒng)應(yīng)用于工廠低壓供配電設(shè)計(jì)中，即IT接地系統(tǒng)、TT接地系統(tǒng)、TN接地系統(tǒng)和重復(fù)接地系統(tǒng)。

2.1IT接地系統(tǒng)

在IT接地系統(tǒng)中，電源非工作接地，用電設(shè)備保護(hù)接地，如圖5所示。在這種接地系統(tǒng)的供電線路中既沒(méi)有中性線N線，也沒(méi)有保護(hù)線PE線，所以用電設(shè)備只能是三相對(duì)稱用電設(shè)備或是額定電壓為線電壓的單相用電設(shè)備。當(dāng)然，如果需要N線，也可以配出N線，但同時(shí)需要在N線上設(shè)置過(guò)電流保護(hù)裝置，以便發(fā)生短路故障時(shí)切斷供電線路。

圖5　IT接地系統(tǒng)

IT系統(tǒng)具有兩個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)，一是發(fā)生單相短路時(shí)，三相電壓保持不變，三相用電設(shè)備可正常運(yùn)行，同時(shí)用電設(shè)備外殼不帶電，不會(huì)發(fā)生觸電事故；二是用電設(shè)備金屬外殼經(jīng)導(dǎo)線與接地體相連接，各用電設(shè)備間無(wú)電磁干擾[3]。IT接地系統(tǒng)目前在工廠低供配電設(shè)計(jì)中應(yīng)用較少，只有在生產(chǎn)、儲(chǔ)存和裝卸易燃易爆危險(xiǎn)物品的工廠供配電設(shè)計(jì)中用到。

2.2TT接地系統(tǒng)

在TT接地系統(tǒng)中，電源工作接地，用電設(shè)備保護(hù)接地，如圖6所示。在這種接地系統(tǒng)中，供電線路有中性線N線，但沒(méi)有保護(hù)線PE線，用電設(shè)備既可以是三相用電設(shè)備又可以是單相用電設(shè)備。在TT接地系統(tǒng)中，由于所有用電設(shè)備的金屬外殼經(jīng)導(dǎo)線與接地體相連接，當(dāng)用電設(shè)備比較多且分散時(shí)，會(huì)相應(yīng)地增加接地成本。

圖6　TT接地系統(tǒng)

TT接地系統(tǒng)有三個(gè)方面的特點(diǎn)，一是采用這種接地系統(tǒng)后，如果用電設(shè)備漏電，用電設(shè)備中性點(diǎn)電位較高，則可能造成觸電事故；二是由于供電線路中沒(méi)有保護(hù)線PE線，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，不會(huì)故障電壓沿PE線竄入其他戶內(nèi)的情況；三是各用電設(shè)備有自己的PE線，各用電設(shè)備間無(wú)電磁干擾[3]。TT接地系統(tǒng)目前在工廠低壓供配電設(shè)計(jì)中應(yīng)用較少，但很有應(yīng)用前景。

2.3TN接地系統(tǒng)

在TN接地系統(tǒng)中，電源工作接地，用電設(shè)備保護(hù)接零，中性線N線和保護(hù)線PE線統(tǒng)稱為零線，根據(jù)N線和PE線的組合情況不同，TN接地系統(tǒng)又分為T(mén)N-C接地系統(tǒng)、TN-S接地系統(tǒng)和TN-C-S接地系統(tǒng)。

(1)TN-C接地系統(tǒng)。如圖7所示，在TN-C接地系統(tǒng)中，N線和PE線合二為一(即PEN線)，這種接地系統(tǒng)的供電線路上既可以接三相用電設(shè)備，又可以接單相用電設(shè)備，供電線路中PEN線一般有電流流過(guò)，會(huì)對(duì)供電線路上的用電設(shè)備造成電磁干擾。當(dāng)PEN線斷線時(shí)，PEN線斷點(diǎn)后用電設(shè)備的金屬外殼具有較高的接觸電壓，容易造成觸電事故。當(dāng)發(fā)生短路時(shí)，過(guò)電流保護(hù)裝置會(huì)切斷供電線路，從而保障用電設(shè)備和人安全。TN-C接地系統(tǒng)應(yīng)用于用電容量不大、接地要求不高的工廠低壓供配電設(shè)計(jì)中。

(2)TN-S接地系統(tǒng)。如圖8所示，在TN-S接地系統(tǒng)中，N線和PE線從電源中性點(diǎn)開(kāi)始完全分開(kāi)，這種接地系統(tǒng)的供電線路上既可以接三相用電設(shè)備，又可以接單相用電設(shè)備，供電線路中N線一般有較小的電流流過(guò)，PE線上沒(méi)有電流流過(guò)，不會(huì)對(duì)供電線路上的用電設(shè)備造成電磁干擾。當(dāng)N線斷線時(shí)，斷點(diǎn)后用電設(shè)備的金屬外殼上的接觸電壓為零，不會(huì)造成觸電事故。當(dāng)發(fā)生短路時(shí)，過(guò)電流保護(hù)裝置會(huì)自動(dòng)切斷供電線路，從而保障用電設(shè)備和人的安全。TN-S接地系統(tǒng)常用于各種工廠的低壓供配電設(shè)計(jì)中。

圖7　TN-C接地系統(tǒng)

圖8　TN-S接地系統(tǒng)

(3)TN-C-S接地系統(tǒng)。如圖9所示，在TN-C-S接地系統(tǒng)中，N線和PE線前部分合用，后部分完全分開(kāi)，N線和PE線分開(kāi)后不能再合起來(lái)，N線和PE線分開(kāi)時(shí)兩線要同時(shí)都接地一次。這種接地系統(tǒng)前部分實(shí)際上是TN-C接地系統(tǒng)，后部分實(shí)際上是TN-S接地系統(tǒng)，在供電線路上無(wú)論是前部分還是后部分，都可以既接三相用電設(shè)備又接單相用電設(shè)備，因此這種接地系統(tǒng)前部分具有TN-C接地系統(tǒng)的特點(diǎn)，后部分具有TN-S接地系統(tǒng)的特點(diǎn)。TN-C-S接地系統(tǒng)常用于既有臨時(shí)用電設(shè)備又有永久用電設(shè)備的工廠低壓供配電設(shè)計(jì)中。

圖9　TN-C-S接發(fā)系統(tǒng)

2.4重復(fù)接地系統(tǒng)

如圖10所示，在三相四線制供電線路中，每當(dāng)從主供電干線取電時(shí)將N線接地一次，同時(shí)從接地線上引出PE線，重復(fù)接地系統(tǒng)實(shí)際上是多個(gè)TN-C-S接地系統(tǒng)的串聯(lián)組合。在重復(fù)接地系統(tǒng)中，供電干線不接用電設(shè)備，與用電設(shè)備相連接的N線上一般有電流流過(guò)，PE線上沒(méi)有電流流過(guò)，所以不會(huì)對(duì)用電設(shè)備造成電磁干擾，也不會(huì)造成觸電事故。當(dāng)發(fā)生短路故障時(shí)，過(guò)電流裝置切斷供電次干線，從而保護(hù)用電設(shè)備和人的安全。重復(fù)接地系統(tǒng)主要用于用電量不大且車間分散的工廠低壓供配電設(shè)計(jì)中。

圖10　重復(fù)接地系統(tǒng)

3工廠低壓供配電設(shè)計(jì)中的接地故障保護(hù)

工廠低壓供配電系統(tǒng)的接地故障是指工廠低壓供配電系統(tǒng)中相線對(duì)地或與地有聯(lián)系的導(dǎo)體之間的短路，包括相線與大地、相線與PE線或PEN線以及相線與設(shè)備的金屬外殼之間的短路[4]。接地故障有較大的危害性，在工廠低壓供配電設(shè)計(jì)中必須進(jìn)行接地故障保護(hù)設(shè)計(jì)。

3.1IT接地系統(tǒng)中的接地故障保護(hù)

在IT接地系統(tǒng)中，當(dāng)工廠低壓供配電系統(tǒng)中發(fā)生單相接地故障時(shí)，用設(shè)備金屬外殼上的電位可達(dá)50 V，此時(shí)應(yīng)裝設(shè)絕緣監(jiān)視裝置及接地故障裝置來(lái)發(fā)現(xiàn)故障，并使裝置動(dòng)作電流應(yīng)滿足如下要求：

IERE≤50 V

(1)

式中:IE為單相接地電容電流，RE為與設(shè)備金屬外殼相連的接地體的接地電阻。

當(dāng)工廠低壓供配電系統(tǒng)中發(fā)生兩相接地故障時(shí)，這時(shí)應(yīng)設(shè)置漏電保護(hù)開(kāi)關(guān)來(lái)迅速切斷供電線路。發(fā)生兩相接地故障分兩種情況，一種是IT接地系統(tǒng)中有N線，此時(shí)漏電開(kāi)關(guān)動(dòng)作電流應(yīng)滿足如下要求：

(2)

另一種是IT接地系統(tǒng)中沒(méi)有N線，此時(shí)漏電開(kāi)關(guān)動(dòng)作電流應(yīng)滿足如下要求：

(3)

3.2TT接地系統(tǒng)中的接地故障保護(hù)

在TT接地系統(tǒng)中，只需設(shè)置漏電開(kāi)關(guān)進(jìn)行保護(hù)即可，漏電開(kāi)關(guān)過(guò)電流動(dòng)作值按低壓斷路器反時(shí)限特性要求來(lái)整定，漏電電流動(dòng)作值一般選擇30 mA。

3.3TN接地系統(tǒng)中的接地故障保護(hù)

在TN接系統(tǒng)中，工廠低壓供配電系統(tǒng)的接地故障可由低壓斷路器切斷供電線路來(lái)保護(hù)，低壓斷路器的動(dòng)作電流按其反時(shí)限特性要求來(lái)整定。但在TN-S接地系統(tǒng)和TN-C-S接系統(tǒng)后部分中用低壓斷路器不能達(dá)到保護(hù)要求時(shí)，則需裝設(shè)漏電開(kāi)關(guān)來(lái)進(jìn)行故障保護(hù)。在TN-C接地系統(tǒng)中，由于沒(méi)有PE線，若要用漏電開(kāi)關(guān)進(jìn)行故障保護(hù)，則需在TN-C接地系統(tǒng)中增加一條PE線，使其變?yōu)門(mén)N-S接地系統(tǒng)。

4結(jié)語(yǔ)

在工廠低壓供配電設(shè)計(jì)中，一定要根據(jù)環(huán)境條件、安全可靠性要求以及用電設(shè)備對(duì)電磁干擾要求慎重選擇電氣接地系統(tǒng)，并進(jìn)行接地故障保護(hù)，使接地系統(tǒng)能有效地保護(hù)用電設(shè)備和人的安全。

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[3]李云.建筑電氣[M].北京：北京大學(xué)出版社，2014.

[4]劉介才.工廠供電.5版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

(責(zé)任編輯：張凱兵)